基于正交試驗(yàn)的激光切割機(jī)穿孔工藝參數(shù)優(yōu)化

朱鵬程，薛華軍，吳許祥，呂金鵬，凌步軍

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司 江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

近年來(lái)激光行業(yè)發(fā)展迅速，我國(guó)光纖激光切割成套設(shè)備已進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，光纖激光切割機(jī)正逐漸改變著傳統(tǒng)的加工模式，并以其加工速度快、使用成本低、加工精度高等優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多企業(yè)的青睞。隨著市場(chǎng)需求的變化，低功率的光纖切割機(jī)已不能滿足市場(chǎng)更厚的板材加工、更快的切割速度的要求，高功率的光纖激光切割機(jī)正逐漸成為國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的寵兒，高功率的光纖激光在切割技術(shù)上應(yīng)用也越來(lái)越多。不同于薄板穿孔，厚板穿孔更易出現(xiàn)爆孔、穿孔熔渣過(guò)多等情況，對(duì)工藝參數(shù)的要求更苛刻。本文在我司配置美國(guó)IPG6kW激光器及德國(guó)HIGHYAG-ZOOM切割頭（調(diào)焦變光斑）的HLF系列機(jī)床上，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行切割試驗(yàn)，在最少時(shí)間及成本消耗下，得到最優(yōu)的穿孔工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)材料與化學(xué)成分

選擇厚度為16mm的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼為材料，表面粗糙度為1μm，切割60mm×60mm的方塊工件。材料化學(xué)成本如表1所示。

表1 0Cr18Ni9的化學(xué)成分表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用江蘇亞威機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的HLF-2040激光切割機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示，該機(jī)床采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000-CUT，BPP=3.78；切割頭采用德國(guó)HIGHYAG-ZOOM切割頭；準(zhǔn)直鏡片焦長(zhǎng)100mm，聚焦鏡片焦長(zhǎng)150mm，焦距放大率M=1.2～3.2（ZOOM）。

圖1 HLF2040激光切割機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h4>

獲得16mm不銹鋼最優(yōu)的穿孔工藝參數(shù)。

1.3.2 試驗(yàn)因素

根據(jù)初步研究，有4個(gè)因素需要確定最佳參數(shù)：頻率A，占空比B，ZOOM值C，焦點(diǎn)位置D。

第一次測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)為A組，因素水平分布如表2所示。因素A頻率500HZ～700HZ；因素B占空比30%～40%；因素C ZOOM值1.2～1.5；因素D焦點(diǎn)位置-9～-11。

表2 因素水平分布表(A組)

1.3.3 選用合適的正交表

選用L9（34）正交表，為4因素、3水平，共做9次試驗(yàn)。

1.3.4 試驗(yàn)結(jié)果

按選用的正交表將表2中的因素順序上列，位極對(duì)號(hào)入座，然后進(jìn)行試驗(yàn)，并得出試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果使用評(píng)分制。如圖2所示。

表3 16mm奧氏體不銹鋼激光穿孔正交試驗(yàn)表（A組）

圖2 16mm不銹鋼激光穿孔效果圖（A組）

1.3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）各因素對(duì)結(jié)果影響的重要程度。極差最大者即是對(duì)結(jié)果影響程度最大，極差最小者則影響程度最小，極差值=該因素位極均值最大值-位極均值最小值。如因素A頻率的極差=K2-K1=2-1.5=0.5。由表4的極差值可見，在選定的4個(gè)因素的數(shù)值范圍內(nèi)，影響16mm不銹鋼穿孔的因素重要程度依次為B→D→A→C。

（2）觀察法。通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)第7個(gè)穿孔點(diǎn)最好，其穿孔工藝條件為A3B1C3D2。

（3）計(jì)算法。分別計(jì)算各因素每種水平位極均值，均值越大，該因素在此水平的工藝條件越好。以因素A為例，因素A位極均值K1=因素A在水平評(píng)分之和／試驗(yàn)次數(shù)，即K1=(S1+S2+S3)/3=(2+1.5+1)/3=1.5。同理B位極均值K2=(S2+S5+S8)/3=(1.5+2+1.3)/3=1.6

表4中，備注“★”為計(jì)算比較后，各因素最好的水平，綜合后最好的穿孔工藝條件是A2B1C3D2。

（4）趨勢(shì)分析。如圖3所示。

圖3 各因素隨水平變化趨勢(shì)分析圖

由圖可見，A因素和D因素的位極均值隨水平先升高再降低，理論上范圍已經(jīng)確定，但是為進(jìn)一步確定，可增大因素A和因素D的測(cè)試范圍。因素B和因素C還有潛力可挖，增大范圍進(jìn)一步測(cè)試。

1.3.6 第二次測(cè)試

通過(guò)對(duì)第一次的測(cè)試的結(jié)果分析，改變各因素的測(cè)試范圍，進(jìn)行第二次正交測(cè)試。第二次測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)為B組，選位極（水平），如表4所示。因素A頻率500HZ～900HZ；因素B占空比20%～50%；因素C ZOOM值1.5～1.9；因素D焦點(diǎn)位置范圍不變，依舊設(shè)為-9～-11。

表4 因素水平分布表(B組)

測(cè)試結(jié)果如表5所示。

試驗(yàn)結(jié)果按穿孔的質(zhì)量打分量化。如圖4所示。

表5 16mm奧氏體不銹鋼激光穿孔正交試驗(yàn)表（B組）

圖4 16mm不銹鋼激光穿孔效果圖（B組）

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）因素對(duì)結(jié)果影響的重要程度。通過(guò)對(duì)表5極差值的比較，在選定的4個(gè)因素的數(shù)值范圍內(nèi)，影響16mm不銹鋼穿孔的因素重要程度依次為B→A→D→C

（2）觀察法。通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)第1個(gè)和第7個(gè)穿孔點(diǎn)最好，其穿孔工藝條件分別為A1B1C1D1、A3B1C3D2。

（3）計(jì)算法。同理，分別計(jì)算各因素每種水平位極均值。表4中，備注“★”為計(jì)算比較后，各因素最好的水平，綜合后最好的穿孔工藝條件是A1B1C3D2。

（4）趨勢(shì)分析。如圖5所示。

圖5 各因素隨水平變化趨勢(shì)分析圖

由圖可見，通過(guò)前2次測(cè)試，因素C ZOOM在進(jìn)一步增大范圍后，繼續(xù)呈上升趨勢(shì)，仍有潛力可挖，可再次進(jìn)行增大范圍測(cè)試 。因素A頻率和因素B占空比在改變范圍后，呈連續(xù)遞減趨勢(shì)，但受機(jī)床參數(shù)限制，因此再次測(cè)試時(shí)，因素A范圍不變，因素B范圍可適當(dāng)微調(diào)。因素D焦點(diǎn)通過(guò)前2次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)放在-10，穿孔效果較好，因此因素D固定設(shè)為-10。

1.3.7 第三次測(cè)試

通過(guò)對(duì)第一次和第二次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，改變各因素的測(cè)試范圍，進(jìn)行第三次正交測(cè)試。第三次測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)為C組，選位極（水平），如表6所示。因素A頻率500HZ～900HZ；因素B占空比20%～30%；因素C ZOOM值2～3；因素D焦點(diǎn)位置固定-10。

表6 因素水平分布表(C組)

測(cè)試結(jié)果如表7所示。

試驗(yàn)結(jié)果按穿孔的質(zhì)量打分量化。如圖6所示。

表7 16mm奧氏體不銹鋼激光穿孔正交試驗(yàn)表（C組）

圖6 16mm不銹鋼激光穿孔效果圖（C組）

試驗(yàn)結(jié)果分析：通過(guò)觀察，經(jīng)過(guò)前兩次試驗(yàn)的總結(jié)，在進(jìn)一步優(yōu)化各因素的試驗(yàn)范圍后，第三次穿孔整體效果都比較好，大部分的穿孔效果已滿足后續(xù)激光切割的要求。其中又以第7個(gè)穿孔點(diǎn)最好，其穿孔工藝條件為A3B1C3。考慮到因素A、B和C已基本達(dá)到極限值，不能改變，綜合評(píng)定，本次實(shí)驗(yàn)16mm不銹鋼最好的工藝條件為：頻率900HZ，占空比20%，ZOOM值 3.0，焦點(diǎn) -10。

2 試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性驗(yàn)證

為保證試驗(yàn)得出的結(jié)果的可靠性，對(duì)最終的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。以16mm不銹鋼穿孔為例，用最終的工藝條件進(jìn)行連續(xù)穿孔，如圖7所示。

圖7 16mm不銹鋼最終工藝穿孔效果圖

由圖可見，用最終的工藝條件進(jìn)行連續(xù)重復(fù)穿孔，穿孔效果基本一致，穩(wěn)定性可靠，可推廣使用。

3 總結(jié)

采用正交試驗(yàn)法在6kW光纖激光切割機(jī)上對(duì)16mm奧氏體不銹鋼進(jìn)行穿孔工藝試驗(yàn)，以最少的人力和物力消耗，在最短的時(shí)間內(nèi)獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。采用正交試驗(yàn)法可提高產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)，縮短新產(chǎn)品的試驗(yàn)周期，降低成本，大大提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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